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21.06.2018 | P2X

Warum die Energiewende nicht am Stromspeicherbedarf scheitert

Quelle: FONA/photothek, FZJ
Quelle: FONA/photothek, FZJ

Ökonom Hans-Werner Sinn sieht in einem stark steigenden Stromspeicherbedarf einen der Gründe, an denen der Ausbau fluktuierender erneuerbarer Energien scheitert. Das DIW Berlin widerlegt seine Argumente in einer aktuellen Studie, die Forscher im Kopernikus-Projekt P2X erstellt haben.

Im vergangenen Jahr haben Windkraft- und Solaranlagen 24 Prozent des deutschen Bruttostromverbrauchs gedeckt. Zählt man den durch Biomasse und Wasserkraft erzeugten Strom hinzu, lag der Anteil erneuerbarer Energien bei 36 Prozent. Auch die Preise für diesen Strom sind erheblich gesunken. Im Koalitionsvertrag hat die Bundesregierung eine Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien auf 65 Prozent des Bruttostromverbrauchs bis 2030 vorgesehen. Perspektivisch soll dieser Anteil auf 80 Prozent steigen. Damit wird Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien das Rückgrat der Energieversorgung bilden. Die Frage ist nun, ob eine mangelnde Verfügbarkeit von Stromspeichern die Umsetzung dieser Ziele behindert – denn Strom aus Wind- und Sonnenenergie ist abhängig vom Wetter, der Tageszeit und der Saison.

Der ehemalige Präsident des ifo-Instituts Hans-Werner Sinn gehört zu den prominentesten Kritikern der deutschen Energiewende. Er sieht die Energiewende als Sackgasse. Seiner Meinung nach macht ein weiterer starker Ausbau der Solar- und Windenergie in Deutschland keinen Sinn, da dies einen stark steigenden Bedarf an Stromspeichern nach sich zöge.

Im Projekt P2X haben die Wissenschaftler Wolf-Peter Schill, Alexander Zerrahn, Claudia Kemfert und Christian von Hirschhausen des DIW Berlin seine Argumente nun entkräftet. In einer eigenen Studie erklären sie, warum Hans-Werner Sinns Ergebnisse sich so stark von denen relevanter nationaler und internationaler Studien unterscheiden. Eine deutsche Kurzfassung dieser Studie findet sich hier. Sie basiert auf einem längeren englischen Open-Access-Fachartikel, der hier verfügbar ist.

Sinn betrachte Randlösungen

Die von Sinn zugrunde gelegte Datenbasis stammt aus dem Jahr 2014. Die Analyse lässt die Sektorenkopplung, die Flexibilisierung des Strombedarfs in der Industrie und die flexible Umwandlung von Elektrizität in beispielsweise Wärme (Power-to-Heat) oder synthetische Kraftstoffe (Power-to-Liquid) weitgehend außen vor. Untersucht würden zudem nur Extremszenarien, in denen entweder ausreichende Stromspeicherkapazitäten für jede erzeugbare Kilowattstunde aus Windkraft- und Solaranlagen bereitgestellt werden müsste oder aber im Gegenteil keinerlei Stromspeicherkapazitäten zur Verfügung stünden.

Falls keinerlei Stromspeicher vorhanden sind, würde bei einer isolierten Betrachtung von Deutschland eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien, wozu auch Biomasse und Wasserkraft gezählt werden, zu einer durchschnittlichen Drosselung der Windkraft- und Solaranlagen von 61 Prozent führen. Um dennoch zu jeder Zeit den Strombedarf zu decken, müsste eine immense Menge an Wind- und Solarkraftwerken zur Verfügung stehen, damit zu Spitzenbedarfszeiten genügend Strom produziert werden kann. Andererseits würde zu Zeiten niedrigen Bedarfs dieses Produktionspotenzial selten ausgeschöpft. Daraus ergibt sich der von Sinn beschriebene Leerlauf von durchschnittlich 61 Prozent. Von den letzten zugebauten Windkraft- und Solaranlagen würden sogar bis zu 94 Prozent des Potenzials ungenutzt bleiben.

In einem alternativen Szenario mit Stromspeichern geht Sinn dagegen von einer vollständigen Ausschöpfung des Produktionspotenzials aus. Dies heißt, jede von Windkraft- und Solaranlagen erzeugbare Kilowattstunde wird entweder direkt genutzt oder gespeichert. Die momentan weltweit am meisten genutzte großskalige Stromspeichertechnologie sind Pumpspeicher. Hier wird mit nicht akut benötigtem Strom Wasser in Speicherseen gepumpt und von dort bei Bedarf wieder abgelassen. Dabei erzeugen Generatoren erneut Strom. Wollte Deutschland alleine betrachtet unter diesen Annahmen eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien erreichen, bräuchte man eine Speicherkapazität von 16,3 Terawattstunden – das ungefähr vierhundertfache der hierzulande vorhandenen Pumpspeicherkapazität und weitaus mehr als europaweit an derartigen Speicherkapazitäten machbar wäre. Das in Deutschland erschließbare Pumpspeicherpotenzial würde den Anteil der Wind- und Solarenergie unter diesen Annahmen auf maximal 30 Prozent der Stromversorgung beschränken. Bei Berücksichtigung eines Stromaustauschs mit ausgewählten Nachbarländern könnte dieser Anteil Sinn zufolge bei maximalem Ausbau der Pumpspeicher in allen beteiligten Ländern auf knapp 50 Prozent im Länderverbund (und rund 63 Prozent in Deutschland) steigen.

Aus diesen Berechnungen folgt Sinns Empfehlung, andere Optionen als erneuerbare Energien zu prüfen, um die Emissionen im Energiesektor zu senken. Vorschläge sind: CO2-Abscheidung und -speicherung, weiterer Einsatz von Atomenergie und Kernfusion.

Einordnung der Analyse durch Wissenschaftler des DIW Berlin

Volatile Energie aus Solar- und Windkraftanlagen werden wetter-, tages- und jahreszeitenabhängig erzeugt. Dagegen folgt der Stromverbrauch in Deutschland einem relativ regelmäßigen Muster: Am höchsten ist der Verbrauch in den frühen Abendstunden der Wintermonate. Photovoltaik hingegen erzeugt die größte Ausbeute in den Mittagsstunden der Sommermonate. Windkraftanlagen sind stark schwankend in ihren Produktionszeiten. Stromüberschüsse aus Windkraft- und Solaranlagen treten grundsätzlich nur in relativ wenigen Stunden im Jahr auf, dann aber mit teilweise sehr hoher Leistung. Es wäre in der Tat unwirtschaftlich, Speicherkapazitäten für diese sehr kurzfristigen Erzeugungsspitzen bereitzustellen. Mit einer quelloffenen Analyse zeigen die DIW-Wissenschaftler, dass bereits eine moderate temporäre Drosselung der Anlagen zu einem stark sinkenden Speicherbedarf führt.

Weiterhin weisen die Wissenschaftler auf die Notwendigkeit hin, die künftige Energieversorgung verstärkt im Gesamtsystem zu betrachten. Dazu gehört insbesondere eine Berücksichtigung der Sektorenkopplung. Bezieht man flexible Power-to-X-Lösungen bzw. einen flexibleren Stromverbrauch in Industrieprozessen mit ein – was in den Kopernikus-Projekten P2X und SynErgie erforscht wird – so können sowohl der Stromspeicherbedarf als auch die Abregelung von Windkraft- und Solaranlagen weiter gesenkt werden. Durch diese neuen Technologien lässt sich grüne Elektrizität unter anderem in Wärme oder synthetische Kraftstoffe umwandeln.

Dies wird von den DIW-Autoren mit einer stilisierten Analyse illustriert: Nimmt man an, dass 50 Gigawatt flexible P2X-Verbraucher etwa 2000 Stunden pro Jahr laufen, so können sie 100 Terawattstunden erneuerbare Stromüberschüsse aufnehmen und umwandeln. Das entspricht etwa einem Sechstel des bisherigen jährlichen Stromverbrauchs in Deutschland. Bei einem Anteil der Wind- und Solarenergie von beispielsweise 50 (60 / 70 / 80) Prozent könnte dadurch der Stromspeicherbedarf von 35 (108 / 230 / 461) Gigawattstunden auf 0 (21 / 45 / 242) Gigawattstunden sinken, bei einer Abregelung von nur noch einem (zwei / vier / knapp fünf) Prozent.

Weitere Informationen zum Projekt P2X

DIW-Infografik: Wie viele Stromspeicher für erneuerbare Energien brauchen wir? [PDF, 339 KB, nicht barrierefrei]

Ansprechpartner
Carola Sonnet
0228/60884 212
c.sonnet@fz-juelich.de